(57)【要約】  ランダム偏光を特定の偏光状態に変換する際にエテンデューが増大するという問題を解決できる光源を提供する。  金属層１５と第１カバー層１４との界面には、発光層１３から入射した光のうち、偏光方向がその界面の面内の第１の方向と直交する特定の偏光成分により表面プラズモンを励起する表面プラズモン励起手段として機能する第２の方向に沿って周期的な凹凸構造が形成され、該凹凸構造の凸部２１Ａはそれぞれが第１の方向に延びている。また、金属層１５と第２カバー層１６との界面には、特定の偏光成分によって表面プラズモン励起手段で励起された表面プラズモンに応じて金属層１５と第１カバー層１４との界面で発生する表面プラズモンから、特定の偏光成分と同じ偏光成分を有する光を生じさせる光発生手段が形成されている。
2012026211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層と、
前記発光層上に順に積層された、第１透明誘電体層と、金属層と、第２透明誘電体層と、を有し、
前記金属層と前記第１透明誘電体層との界面には、前記発光層から入射した光のうち、偏光方向が該界面の面内の第１の方向と直交する特定の偏光成分により表面プラズモンを励起する表面プラズモン励起手段として機能する、前記第１の方向と該界面内で直交する第２の方向に沿って周期的な凹凸構造が形成され、該凹凸構造の凸部はそれぞれが前記第１の方向に延びており、
前記金属層と前記第２透明誘電体層との界面には、前記特定の偏光成分によって前記表面プラズモン励起手段で励起された表面プラズモンに応じて前記金属層と前記第１透明誘電体層との界面で発生する表面プラズモンから、前記特定の偏光成分と同じ偏光成分を有する光を生じさせる光発生手段が形成された、光源。
【請求項２】
前記光発生手段が、前記第２透明誘電体層と前記金属層との界面に、前記表面プラズモン励起手段と同一の構造を有し、前記第２透明誘電体層が、前記第１透明誘電体層と同じ誘電率を有する、請求項１に記載の光源。
【請求項３】
前記光発生手段が、前記金属層と前記第２透明誘電体層との間に挿入され、前記第２透明誘電体のよりも小さい屈折率を有する低屈折率層を含む、請求項１に記載の光源。
【請求項４】
前記第２透明誘電体層の屈折率は、前記第１透明誘電体層の屈折率より小さく、
前記金属層の膜厚は、前記第２透明誘電体層の膜厚より薄い、請求項１に記載の光源。
【請求項５】
前記金属層がＡｇを含む、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光源。
【請求項６】
前記表面プラズモン励起手段が、赤色光の特定の偏光成分により表面プラズモンを励起し、前記凹凸構造の前記第２の方向の周期が、０．２μｍ〜４．２μｍの範囲にある、請求項５に記載の光源。
【請求項７】
前記表面プラズモン励起手段が、緑色光の特定の偏光成分により表面プラズモンを励起し、前記凹凸構造の前記第２の方向の周期が、０．２μｍ〜３．５μｍの範囲にある、請求項５に記載の光源。
【請求項８】
前記表面プラズモン励起手段が、青色光の特定の偏光成分により表面プラズモンを励起し、前記凹凸構造の前記第２の方向の周期が、０．１５μｍ〜３．０μｍの範囲にある、請求項５に記載の光源。
【請求項９】
前記金属層がＡｕまたはＡｌを含む、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光源。
【請求項１０】
前記凹凸構造の凸部は、前記第１の方向と直交する断面において、前記凸部の頂点を通り前記第２の方向と直交する線に対して対称である、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の光源。
【請求項１１】
前記凹凸構造は、前記第１の方向と直交する断面が矩形波状である、請求項１０に記載の光源。
【請求項１２】
前記凹凸構造は、前記第１の方向と直交する断面が階段波状である、請求項１０に記載の光源。
【請求項１３】
前記凹凸構造は、前記第１の方向と直交する断面が正弦波状である、請求項１０に記載の光源。
【請求項１４】
前記凹凸構造は、前記第１の方向と直交する断面が二等辺三角波である、請求項１０に記載の光源。
【請求項１５】
前記第２透明誘電体層内を伝播する光を所定の方向に回折して出射する回折手段を有する、請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の光源。
【請求項１６】
前記回折手段が、前記第２透明誘電体層における前記光の出射面に形成された複数の構造体であり、
各構造体は、前記第１の方向に延び、かつ、前記第２の方向に沿って周期的に配列されている、請求項１５に記載の光源。
【請求項１７】
前記回折手段が、ホログラムである、請求項１５に記載の光源。
【請求項１８】
前記凹凸構造は、前記第１の方向と直交する断面において、前記凹凸構造の凸部の頂点を通り前記第２の方向と直交する線に対して非対称である、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の光源。
【請求項１９】
前記表面プラズモン励起手段の前記凹凸構造は、前記第１の方向と直交する断面が鋸歯波状である、請求項１８に記載の光源。
【請求項２０】
前記表面プラズモン励起手段の前記凹凸構造は、前記第１の方向と直交する断面が階段波状である、請求項１８に記載の光源。
【請求項２１】
前記発光層における前記第１透明誘電体層の反対側に設けられた反射層を有する、請求項１ないし２０のいずれか１項に記載の光源。
【請求項２２】
前記反射層は、光を拡散反射する拡散反射層である、請求項２１に記載の光源。
【請求項２３】
前記第２透明誘電体層内を伝播する光の出射面を除く外壁面の少なくとも一部に設けられた、光を反射する反射部を有する、請求項２１または２２のいずれか１項に記載の光源。
【請求項２４】
前記金属層と前記反射層との間に挿入された、透過した光の偏光状態を変える位相変調層を有する、請求項２１ないし２２のいずれか１項に記載の光源。
【請求項２５】
前記位相変調層が、透過した光に位相差を付与する位相差板である、請求項２４に記載の光源。
【請求項２６】
請求項１ないし２５のいずれか１項に記載の光源と、
前記光源からの光を映像信号に応じて変調して出射する変調素子と、
前記変調素子から出射された光を投射する投射光学系と、を備えた投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源および投射型表示装置に関し、特には表面プラズモンを利用した光源および投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光源としてＬＥＤ（Light  Emitting  Diode）を用いたプロジェクタが注目されている。このようなプロジェクタは、ＬＥＤと、ＬＥＤの出射光が入射される照明光学系と、照明光学系からの光を映像信号に応じて変調して出射する変調素子と、変調素子からの光をスクリーンに投射する投射光学系とを備えている。【０００３】
上記のプロジェクタでは、投射画像の輝度を高めるために、光源の出射光を効率良く投射光として利用することが求められている。光源の出射光が効率良く投射光として利用されるためには、光源の発光面積と放射角との積で求められるエテンデューを、変調素子の受光面積と照明光学系のＦナンバーで決まる取り込み角との積の値以下にする必要がある。【０００４】
また、上記のプロジェクタでは、変調素子として液晶パネルなどの偏光依存性を有するものが使用されることがある。この場合、ＬＥＤの出射光はランダム偏光なので、光源の出射光を効率良く投射光として利用するためには、ランダム偏光が特定の偏光状態に変換される必要がある。【０００５】
ランダム偏光を特定の偏光状態に変換する技術としては、特許文献１に記載の平面照明装置がある。平面照明装置は、導光板と、導光板の下面に設けられた階段状のマイクロプリズムと、導光板の上面に設けられた偏光分離膜と、偏光分離膜の上面に設けられた上面カバーとを備える。また、偏光分離膜は、第１の低屈折率透明媒質と第２の低屈折率透明媒質とで金属薄膜を挟んだ構成を有する。【０００６】
上記の平面照明装置では、光源からの光が導光板に入射され、マイクロプリズムにて角度変換されながら導光板の内部を伝播する。そして、導光板と第１の低屈折率透明媒質との境界である第１の境界で光が全反射すると、そのときに生じるエバネッセント波によって表面プラズモンが金属薄膜に励起される。金属薄膜に表面プラズモンが励起されると、第２の低屈折率透明媒質と上面カバーとの境界である第２の境界において、表面プラズモンの励起過程と逆の過程が生じ、その第２の境界で光が発生し、上面カバーを介して出射される。【０００７】
また、第１の境界に入射される光のうち表面プラズモンを励起する光は、電界成分が第１の境界に平行なＴＭ偏光のみである。このため、第２の境界で発生する光は、表面プラズモンの励起過程と逆の過程によって生じるものなので、表面プラズモンを励起する光と同じＴＭ偏光となる。したがって、平面照明装置はランダム偏光を特定の偏光状態に変換して出射することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２９５１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載の平面照明装置では、マイクロプリズムにて光の角度変換が行われるので、導光板内の光は、様々な方向に伝播され、第１の境界に様々な方向から入射することになる。この場合、金属薄膜に様々な方向に伝播する表面プラズモンが生じ、第２の境界で発生する光も様々な方向に出射される。このため、エテンデューが増大し、光源の出射光を効率良く投射光として利用することができない。【００１０】
本発明の目的は、上記の課題である、ランダム偏光を特定の偏光状態に変換する際にエテンデューが増大するという問題を解決できる光源および投射型表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による光源は、発光層と、前記発光層上に順に積層された、第１透明誘電体層と、金属層と、第２透明誘電体層と、を有し、前記金属層と前記第１透明誘電体層との界面には、前記発光層から入射した光のうち、偏光方向が該界面の面内の第１の方向と直交する特定の偏光成分により表面プラズモンを励起する表面プラズモン励起手段として機能する、前記第１の方向と該界面内で直交する第２の方向に沿って周期的な凹凸構造が形成され、該凹凸構造の凸部はそれぞれが前記第１の方向に延びており、前記金属層と前記第２透明誘電体層との界面には、前記特定の偏光成分によって前記表面プラズモン励起手段で励起された表面プラズモンに応じて前記金属層と前記第１透明誘電体層との界面で発生する表面プラズモンから、前記特定の偏光成分と同じ偏光成分を有する光を生じさせる光発生手段が形成されている。【００１２】
本発明による投射型表示装置は、上記の光源と、前記光源からの光を映像信号に応じて変調して出射する変調素子と、前記変調素子から出射された光を投射する投射光学系と、を有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、エテンデューを増大させることなく、ランダム偏光を特定の偏光状態に変換することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態の光源を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の光源の動作を説明するための説明図である。
【図３】第１回折格子の形状例を示す断面図である。
【図４】表面プラズモンおよび光の分散関係の一例を示す図である。
【図５】表面プラズモンおよび光の分散関係の別の例を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係るプロジェクタの構成の一例を示す配置図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係るプロジェクタの構成の他の例を示す配置図である。
【図８】本発明の第２の実施形態の光源を示す斜視図である。
【図９】本発明の第３の実施形態の光源を示す斜視図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態の光源を示す斜視図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態の光源を示す斜視図である。
【図１２】本発明の第６の実施形態の光源を示す斜視図である。
【図１３】本発明の第７の実施形態の光源を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有するものには同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。
【００１６】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態の光源を示す斜視図である。光源１０は、サブマウント層１１、拡散ミラー層１２、発光層１３、第１カバー層１４、金属層１５、第２カバー層１６の順番で積層されている。
【００１７】
なお、実際の光源における各層の厚さは非常に薄く、また、各層の厚さの違いが大きいので、各層を正確な比率で図示することが困難である。このため、図１では、各層は実際の比率通りには描かれておらず、模式的に示されている。また、図１に示すように、発光層１３の上面に平行な面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面と直交する方向をＺ方向とする。ここで、偏光方向がＹ方向に垂直な直線偏光をＴＭ偏光とし、偏光方向がＹ方向に平行な直線偏光をＴＥ偏光とする。
【００１８】
拡散ミラー層１２は、入射した光を拡散反射する。
【００１９】
発光層１３は、所定の波長の光を発する。より具体的には、発光層１３では、ｐ型半導体層であるｐ型層１３Ａ、活性層１３Ｂ、ｎ型半導体層であるｎ型層１３Ｃの順番で下から積層されている。そして、外部電源（図示せず）からｐ型層１３Ａとｎ型層１３Ｃとの間に電圧が印加され、それらの間に電流が流れると、その電流に応じて活性層１３Ｂにて光が発生する。ここで、活性層１３Ｂで発生された光はランダム偏光である。
【００２０】
第１カバー層１４は、透明誘電体で形成された第１透明誘電体層であり、発光層１３からの光がその内部を伝播するようになっている。第１カバー層１４の形成材質である透明誘電体としては、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）などの透明アクリル樹脂や、ガラスなどが挙げられる。以下では、本透明誘電体としてガラスが使用されているものとする。
【００２１】
金属層１５は、Ａｇなどの金属で形成され、第１カバー層１４の上にその第１カバー層１４と接するように設けられる。
【００２２】
第１カバー層１４と金属層１５との界面は、光を回折する第１回折格子２１となっている。ここで、第１回折格子２１は、１次元方向（以下、Ｘ方向とする）に周期的な凹凸構造で形成される。より具体的には、第１回折格子２１は、Ｙ方向（第１の方向）に延伸された凸部２１ＡがＸ方向（第２の方向）に周期的に複数配列されることで形成される。第１回折格子２１は、第１カバー層１４を伝播するランダム偏光のうち、金属層１５に所定の入射角度で入射するＴＭ偏光によって、第１カバー層１４と金属層１５との界面に表面プラズモンを励起する表面プラズモン励起手段として機能する。
【００２３】
第２カバー層１６は、第１カバー層１４と同じ誘電率の材質で形成され、金属層１５と接するように設けられる。
【００２４】
金属層１５と第２カバー層１４との界面は、第２回折格子２２となっている。第２回折格子２２は、第１回折格子２１と同じ構造を有する。つまり、第２回折格子２２は、第１回折格子２１の凸部２１Ａと同じ形状の凸部２２Ａを有し、凸部２２Ａが凸部２１Ａの周期と同じ周期でＸ方向に複数配列される。第２回折格子２２は、第１回折格子２１にて励起された表面プラズモンから光を発生させる光発生手段として機能する。
【００２５】
第２カバー層１６の上面は、光源１０における光の出射面となっており、回折部２３が形成されている。回折部２３は、光発生手段である第２回折格子２２で発生した光を所定の方向に回折して出射する。なお、回折部２３は、第１回折格子２１および第２回折格子２２と同様に、Ｙ方向に延伸された構造体（例えば、凸部）がＸ方向に周期的に複数配列されることで形成される。
【００２６】
次に、表面プラズモンが励起され、その表面プラズモンから光が発生される原理についてより詳細に説明する。
【００２７】
表面プラズモンは、金属と誘電体の界面を伝播する電子の集団の疎密波である。表面プラズモンの波数と角周波数との分散関係は、界面の金属および誘電体の誘電率から決定される。表面プラズモンの分散関係が誘電体中を伝播する光の分散関係と一致するときに、すなわち、誘電体中の光の波数が表面プラズモンの波数と等しくなるときに、その光によって表面プラズモンが励起される。しかしながら、金属と誘電体との界面が平坦な場合、表面プラズモンの分散関係と誘電体中の光の分散関係は通常一致しないため、単に光を誘電体から金属に入射しただけでは表面プラズモンは励起されない。
【００２８】
したがって、表面プラズモンを励起させるためには、誘電体中の光の分散関係を変化させて、表面プラズモンの分散関係と誘電体中の光の分散関係とを一致させる必要がある。
【００２９】
光の分散関係を変化させて表面プラズモンを励起させる方法としては、金属と誘電体との界面に回折格子（グレーティング）を設けるグレーティング結合法が知られている。グレーティング結合法では、回折格子に所定の入射角度で光が入射されると、その回折格子にて回折された回折光の分散関係と表面プラズモンの分散関係とが一致し、誘電体と金属との界面に表面プラズモンが励起される。
【００３０】
また、表面プラズモンが疎密波であることに起因して、ある特定の方向に伝搬する表面プラズモンを励起する入射光は、電界成分がその特定の方向に平行な直線偏光の光のみである。したがって、図１に示したように、第１カバー層１４と金属層１５との界面にＸ方向に周期的な凹凸構造が設けられることで、第１カバー層１４と金属層１５との界面に表面プラズモンを励起できる光を、Ｘ方向に電界成分を有し、第１回折格子２１に対して所定の入射角度を有する直線偏光に制限することが可能になる。
【００３１】
ここで、金属層１５を１００ｎｍ程度以下に十分薄くとすると、金属層１５の両面で表面プラズモンのエネルギーの授受が行われ、第２回折格子２２側でも第１回折格子２１側で励起された表面プラズモンと同じ表面プラズモンが発生する。このため、上記のように表面プラズモンが励起されると、第２回折格子２２において、第１回折格子２１により表面プラズモンが励起された過程と逆の過程が生じ、第２回折格子２２から光が出射されることとなる。これは、第１回折格子および第２回折格子が同じ凹凸構造を有し、かつ、第１カバー層１４と第２カバー層１６とが同じ誘電率を有しているので、第１カバー層１４内の光の分散関係と、第２カバー層１６内の光の分散関係とが一致するためである。
【００３２】
第２回折格子２２から出射される出射光は、表面プラズモンが励起された過程と逆の過程が生じたものであるため、表面プラズモンを励起した光と同じ光、つまり、Ｘ方向に電界成分を有するＴＭ偏光となる。このとき、第２回折格子２２から出射される出射光の出射角度も、表面プラズモンを励起する光の入射角度と同じになる。
【００３３】
このように、本実施形態では、第１回折格子２１と第２回折格子２２とを光学的に同じ構成とすることで、第１回折格子２１に入射したＴＭ偏光と同じ光を第２回折格子２２から出射することが可能となる。
【００３４】
なお、Ｘ方向以外の伝搬成分を有する光が第１回折格子２１に入射した場合でも、その光をＺＸ平面に射影した射影光の入射角度が表面プラズモンの励起条件を満たす角度であれば、Ｘ方向に平行な偏光成分によって表面プラズモンが励起される。しかしながら、この場合でも、表面プラズモンの伝搬方向はＸ方向に制限されるため、第２回折格子２２から出射される光は、Ｘ方向に電界成分を有するＴＭ偏光となる。
【００３５】
次に光源１０の動作について説明する。
【００３６】
図２は、光源１０の動作を説明するための説明図であり、光源１０をＸＺ平面で切った断面を示す。
【００３７】
外部電源からｐ型層１３Ａとｎ型層１３Ｃとの間に電圧が印加され、それらの間に電流が流れると、その電流に応じて活性層１３Ｂにてランダム偏光が発生する。活性層１３Ｂで発生されたランダム偏光の一部は、直接第１カバー層１４に入射され、残りは、拡散ミラー層１２で拡散反射されて第１カバー層１４に入射される。
【００３８】
第１カバー層１４に入射されたランダム偏光のうち、表面プラズモンの励起条件を満たす角度θ１で金属層１５に入射するＴＭ偏光は、第１回折格子２１を介して金属層１５に表面プラズモンを励起する。（図中矢印Ａ参照）。そして、第２回折格子２２においてこの表面プラズモンと同じ表面プラズモンが発生し（図中矢印Ｂ参照）、その表面プラズモンにより第２カバー層１６内に光が発生する。ここで発生した光は、第１カバー層１４と金属層１５との界面で表面プラズモンを励起した光と同一のＴＭ偏光であり、その光の入射角度と同じ角度θ１で出射される（図中矢印Ｃ参照）。
【００３９】
一方、第１カバー層１４に入射したランダム偏光のうち、表面プラズモンの励起条件を満たさない光（例えば、ＴＥ偏光や、入射角度θ１と異なる入射角度θ２で金属層１５に入射するＴＭ偏光）は、第１回折格子２１において単に反射または回折されるだけで、表面プラズモンを励起しない。この光は、拡散ミラー層１２で拡散反射され、偏光方向や入射角度が変化して再び金属層１５に入射する。光がこのような反射を繰り返し、入射角度θ１で金属層１５に入射するＴＭ偏光になると、表面プラズモンを励起する。
【００４０】
ここで、表面プラズモンを励起するＴＭ偏光としては、ＺＸ平面内で多重反射しながら＋Ｘ方向に伝搬して入射角度θ１で金属層１５に入射する場合と、ＺＸ平面内で多重反射しながら−Ｘ方向に伝搬して入射角度−θ１で金属層１５に入射する場合とがある。そのため、第２カバー層１６で発生されるＴＭ偏光の出射方向も２つとなる。この出射方向の異なる光は、第２カバー層１６の出射面に形成された回折部２３によって回折されて、所定の方向（本実施形態では出射面に垂直な方向、図中矢印Ｄ、Ｄ’参照）に出射されることになる。
【００４１】
なお、本実施形態の回折部２３は、第１回折格子２１および第２回折格子２２と同一構造を有しているが、これは、第２回折格子２２から２つの出射角度θ１および−θ１で出射する光を所定の方向に回折するためである。そのため、回折部２３は、Ｙ方向に延伸された構造体がＸ方向に周期的に配列されていれば、第１回折格子２１および第２回折格子２２と同じ構造を有している必要はなく、その構造体や形状や構造体間の間隔は、回折部２３への入射角度や所望する出射角度に応じて適宜変更可能である。
【００４２】
また、表面プラズモンを励起させるための回折格子において、光の分散関係を変化させるパラメータは格子定数（ピッチ）である。このため、第１回折格子２１の構成は、図１で示した構成に限定されない。つまり、第１回折格子２１における凸部２１Ａの断面形状は適宜変更可能である。
【００４３】
図３は、第１回折格子２１の形状例を示す断面図であり、第１回折格子２１をＸＺ平面で切った断面形状を示している。図３で示したように、第１回折格子２１の断面形状としては、矩形波状（図３（ａ）参照）、階段波状（図３（ｂ）参照）、正弦波状（図３（ｃ）参照）および二等辺三角波（図３（ｄ）参照）などが挙げられる。このような断面形状は、凸部２１Ａの頂点を通り、Ｙ方向と直交する線（Ｚ方向と平行な線）に対して線対称である。
【００４４】
なお、図１および図２では、図３（ａ）に示す矩形波状の断面を有する第１回折格子２１が示されている。また、第２回折格子は、第１回折格子２１と同じ構造なので、第２回折格子の断面形状も第１回折格子２１の断面形状と同じになる。
【００４５】
ここで、２次以上の回折光によって表面プラズモンが励起されると、表面プラズモンに複数のモードが生じる。この場合、第２カバー層１６において、表面プラズモンの各モードに対応する複数の方向のそれぞれに出射される光が生じ、光源１０からの出射光の放射角度が広くなり、光源１０のエテンデューが増加する。このため、１次回折光の回折効率を向上させることで、光源１０の出射光の利用効率を向上させることができる。
【００４６】
例えば、図３（ｂ）に示す階段波状の断面を有する第１回折格子２１では、その階段形状のステップを増やすことで一次回折光の回折効率を向上させることができる。例えば、ステップ数が４の場合、一次回折光の回折効率は８１％程度となる。また、図３（ｃ）に示す正弦波状の断面を有する第１回折格子２１は、ステップ数が無数の階段波状の回折格子とみなすこともでき、一次回折光の回折効率が理論上１００％となる。このため、光源１０の出射光の利用効率の観点からは、第１回折格子２１は、正弦波状の断面を有するものであることが望ましい。
【００４７】
次に第１回折格子２１のピッチについて説明する。
【００４８】
上述のように、表面プラズモンの分散関係は、その表面プラズモンが発生する界面を挟む誘電体および金属の誘電率に応じて決定される。そのため、表面プラズモンを励起する回折格子に対する励起条件や、表面プラズモンを励起する光の入射角度は、金属および誘電体の材質に応じて変化する。特に、この励起条件や入射角度は、金属の材質に応じて大きく変化することが知られている。
【００４９】
以下では、誘電体としてはガラスを用いる。また、金属としては、赤色光、緑色光および青色光の周波数帯域よりプラズマ周波数が高く、表面プラズモンを励起させる光以外の光を高効率で反射するＡｇを用いるものとする。
【００５０】
図４および図５は、表面プラズモンおよび光の分散関係を示す図である。図４および図５では、横軸は波数を示し、縦軸は周波数を示す。また、赤色光（波長：６３０ｎｍ）、緑色光（波長：５３０ｎｍ）、青色光（波長：４５０ｎｍ）に対応する周波数のそれぞれを示している。
【００５１】
また、図４および図５の陰影部分は、第１カバー層１４内Ｘ方向に伝搬する光が金属層１５に０°＜θ１＜９０°の入射角度で入射するときの、その光の分散関係の取り得る範囲を示している。これに対して、実線（太線、−ＳＰ−１）は、第１回折格子２１による１次回折光によって励起される表面プラズモンの分散関係を示している。したがって、この実線と陰影部分とが交わる領域があれば、その領域に相当するエネルギーの光によって、１次回折光から表面プラズモンを励起することができる。
【００５２】
図４は、第１回折格子２１の格子定数Ｌを０．２μｍとしたときの、表面プラズモンおよび光の分散関係を示す図である。
【００５３】
図４では、実線が赤色光、緑色光および青色光のそれぞれに対応する周波数帯域の全てで陰影部分と交わっている。つまり、第１回折格子２１のピッチＬが０．２μｍの場合、赤色光、緑色光、および青色光のそれぞれの１次回折光から表面プラズモンを励起することができる。
【００５４】
図５は、第１回折格子２１の格子定数Ｌを０．１５μｍとしたときの、表面プラズモンおよび光の分散関係を示す図である。
【００５５】
図５では、実線が青色光に対応する周波数帯域でのみ陰影部分と交わっている。つまり、第１回折格子２１のピッチＬが０．１５μｍの場合、青色光の１次回折光から表面プラズモンを励起することができる。
【００５６】
したがって、第１回折格子２１のピッチを、赤色光および緑色光では０．２μｍ以上、青色光では０．１５μｍ以上にすることで、１次回折光を利用して表面プラズモンを励起することができる。
【００５７】
また、第１回折格子２１のピッチを大きくしていくと、２次以上の回折光でも表面プラズモンが励起されるようになり、さらに大きくしていくと、２次以上の回折光によってのみ表面プラズモンが励起され、１次回折光では表面プラズモンを励起することができなくなる。
【００５８】
したがって、第１回折格子２１のピッチは、１次回折光を利用して表面プラズモンを励起できる範囲、すなわち、入射光が赤色光の場合、０．２μｍ≦Ｌ≦４．２μｍ、緑色光の場合、０．２μｍ≦Ｌ≦３．５μｍ、青色光の場合、０．１５μｍ≦Ｌ≦３．０μｍの範囲にあることがより好ましく、さらには１次回折光のみを利用して表面プラズモンを励起できる範囲、すなわち、入射光が赤色光の場合、０．２μｍ≦Ｌ≦０．３５μｍ、緑色光の場合、０．２μｍ≦Ｌ≦０．３μｍ、青色光の場合、０．１５μｍ≦Ｌ≦０．２５μｍの範囲にあることが最も好ましい。
【００５９】
また、第１回折格子２１のピッチとして、２次以上の回折光によって表面プラズモンが励起されるようなピッチを用いる場合には、第１回折格子２１の断面形状を正弦波形状またはそれに近づけることで、１次回折光の回折効率を１００％またはそれに近づけることが好ましい。
【００６０】
また、第１回折格子２１のピッチＬと表面プラズモンを励起する光の入射角度θ１との関係は、例えば、赤色光ではＬ＝０．３５μｍのときθ１＝６°、緑色光ではＬ＝０．３μｍのときθ１＝４°、青色光ではＬ＝０．２５μｍのときθ１＝７°となる。
【００６１】
また、金属層１５には、Ａｇの代わりに、例えばＡｌやＡｕなどで形成されてもよい。金属層１５がＡｌで形成されている場合、１次回折光のみによって表面プラズモンを励起できる第１回折格子２１のピッチは、入射光が赤色光の場合、０．２５μｍ≦Ｌ≦０．４μｍ、緑色光の場合、０．２μｍ≦Ｌ≦０．３μｍ、青色光の場合、０．２μｍ≦Ｌ≦０．３μｍである。また、金属層１５がＡｕで形成されている場合、１次回折光のみによって表面プラズモンを励起できる第１回折格子２１のピッチは、入射光が赤色光の場合、０．２μｍ≦Ｌ≦０．３５μｍ、緑色光の場合、０．２μｍ≦Ｌ≦０．３μｍ、入射光が青色光、０．１５μｍ≦Ｌ≦０．２５μｍである。
【００６２】
なお、上記の説明に用いた表面プラズモンおよび光の分散関係はＺＸ平面でのグレーティング結合法に基づいて行ったものである。つまり、本分散関係は、図２に示す第１回折格子２１に対して、凸部２１Ａ間の間隔（第１回折格子２１のピッチ）を変化させたときの、第１カバー層１４と金属層１５との界面における、Ｘ方向に平行な表面プラズモンと光の分散関係を計算したものである。なお、金属層１５の誘電率は、Ｄｒｕｄｅ−Ｌｏｒｅｎｔｚモデルに従うものとした。
【００６３】
次に光源１０を備えたプロジェクタについて説明する。
【００６４】
図６は、本実施形態のプロジェクタの構成の一例を示す配置図である。図６において、プロジェクタ１００は、光源１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂと、光学素子１０２Ｒ、１０２Ｇおよび１０２Ｂと、液晶パネル１０３Ｒ、１０３Ｇおよび１０３Ｂと、クロスダイクロイックプリズム１０４と、投射光学系１０５とを備える。
【００６５】
光源１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂのそれぞれは、図１に示した光源１０と同じ構造を有する。光源１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂのそれぞれの発光層１３は、波長がそれぞれ異なる光を発生するものとする。以下、光源１０１Ｒから赤色光が出射され、光源１０１Ｇから緑色光が出射され、光源１０１Ｂから青色光が出射されるものとする。
【００６６】
光学素子１０２Ｒ、１０２Ｇおよび１０２Ｂのそれぞれは、光源１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂからの各色光を、液晶パネル１０３Ｒ、１０３Ｇおよび１０３Ｂのそれぞれに導いて入射する。
【００６７】
液晶パネル１０３Ｒ、１０３Ｇおよび１０３Ｂは、入射された各色光を映像信号に応じて変調して出射する空間光変調素子である。
【００６８】
クロスダイクロイックプリズム１０４は、液晶パネル１０３Ｒ、１０３Ｇおよび１０３Ｂのそれぞれから出射された各変調光を合成して出射する。
【００６９】
投射光学系１０５は、クロスダイクロイックプリズム１０４から出射された合成光をスクリーン２００に投射して、スクリーン２００上に映像信号に応じた映像を表示する。
【００７０】
図７は、本実施形態のプロジェクタの構成の別の例を示す配置図である。図７において、プロジェクタ１００’は、光源１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂと、導光体１０６と、液晶パネル１０７と、投射光学系１０８とを有する。
【００７１】
導光体１０６は、光源１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂからの各色光を合成して液晶パネル１０７に出射する。
【００７２】
液晶パネル１０７は、入射された合成光を映像信号に応じて変調して出射する空間光変調素子である。
【００７３】
投射光学系１０８は、液晶パネル１０７から出射された変調光をスクリーン２００に投射して、スクリーン２００上に映像信号に応じた映像を表示する。
【００７４】
なお、図６および図７では、空間光変調素子として液晶パネルを用いたが、変調素子は液晶パネルに限らず適宜変更可能である。例えば、図７で示したプロジェクタでは、液晶パネル１０７の代わりに、ＤＭＤ（Digital  Micromirror  Device）を用いてもよい。
【００７５】
以上説明したように本実施形態によれば、光源１０は、発光層１３と、発光層１３に順に積層された、第１カバー層１４と、金属層１５と、第２カバー層１６とを有する。金属層１５と第１カバー層１４との界面にはＸ方向に周期的な凹凸構造が形成される。また、第１カバー層１５と第２カバー層１６の誘電率が等しい。
【００７６】
このため、金属層１５と第１カバー層１４との界面がＸ方向に周期的な凹凸構造となっているので、第１カバー層１４と金属層１５との界面に表面プラズモンを励起できる光を、Ｘ方向に電界成分を有し、第１回折格子２１に対して所定の入射角度を有する光に制限することが可能になる。また、第１カバー層１４と第２カバー層１６とが等しい誘電率を有しているので、第１回折格子２１により表面プラズモンが励起された過程と逆の過程が生じ、第２カバー層１６から、表面プラズモンを励起した光と同じ光、つまり、Ｘ方向に電界成分を有し、出射角度が表面プラズモンを励起する光の入射角度と同じＴＭ偏光が出射される。したがって、出射角度を揃えることができるので、エテンデューを増大させることなく、ランダム偏光を特定の偏光状態に変換することが可能になる。
【００７７】
［第２の実施形態］
図８は、本発明の第２の実施形態の光源を模式的に示す斜視図である。図８に示す光源３０は、図１で示した光源１０に対して光発生手段の構成を変更したものである。より具体的には、光源３０は、金属層１５と第２カバー層１６との間に、第２回折格子２２の代わりに低屈折率層３１を有する点で光源１０と比べて異なる。低屈折率層３１は、第２カバー層１６の屈折率より小さい屈折率を有する。
【００７８】
本実施形態では、金属層１５、第２カバー層１６および低屈折率層３１が光発生手段を構成する。この光発生手段では、いわゆるオット光学配置が実現されており、表面プラズモンと光とを結合させて、表面プラズモンから光を発生させる方法として、全反射減衰（ＡＴＲ：Attenuated  Total  Reflection）法が用いられている。
【００７９】
ＡＴＲ法によれば、誘電体と低屈折率層との界面で光が全反射する際に、その界面においてエバネッセント光が発生し、そのエバネッセント光によって、低屈折率層と金属との界面に表面プラズモンが励起される。したがって、第１回折格子２１で表面プラズモンが励起されると、金属層１５と低屈折率層３１との界面には、その表面プラズモンと同じ表面プラズモンが誘起される。そして、その表面プラズモンから、低屈折率層３１と第２カバー層１６との界面に発生するエバネッセント光を介して光が生成され、第２カバー層１６へと出射される。
【００８０】
以上説明したように本実施形態でも第１の実施形態と同じ効果が得られる。
【００８１】
［第３の実施形態］
図９は、本発明の第３の実施形態の光源を模式的に示す斜視図である。図９に示す光源４０は、図１で示した光源１０に対して光発生手段の構成を変更したものである。より具体的には、光源４０は、金属層１５の代わりに金属層４１を有する点で光源１０と異なる。また、第２カバー層１６が第１カバー層１４の屈折率より小さい屈折率を有する。そして、金属層４１は、第２カバー層の膜厚よりも極めて小さい膜厚を有する。なお、金属層４１と第２カバー層１６との間に回折格子は形成されていない。
【００８２】
本実施形態では、第２カバー層１６および金属層４１が光発生手段を構成する。この光発生手段では、いわゆるクレッチマン光学配置が実現されており、第２の実施形態と同様にＡＴＲ法が用いられて、表面プラズモンから光が発生されている。つまり、第１回折格子２１で表面プラズモンが励起されると、金属層４１と第２カバー層１６との界面には、その表面プラズモンと同じ表面プラズモンが誘起される。そして、その表面プラズモンから、金属層４１と第２カバー層１６との界面に発生するエバネッセント光を介して、第２カバー層１６内に光が出射される。したがって、本実施形態でも第１の実施形態と同じ効果が得られる。
【００８３】
［第４の実施形態］
図１０は、本発明の第４の実施形態の光源を模式的に示す斜視図である。図１０に示す光源５０は、図１で示した光源１０に対して第２カバー層１６の出射側の構成を変更したものである。より具体的には、光源５０は、第２カバー層１６の回折部２３の代わりに、第２カバー層１６に積層されたホログラム層５１を有する点で光源１０と比べて異なる。
【００８４】
ホログラム層５１は、第１回折格子２１による２次以上の回折光によって励起される表面プラズモンの複数のモードに起因する、ホログラム層５１への複数の入射角を有する各光を全て同一方向に回折して出射する複数のホログラムが積層された多重ホログラムである。したがって、第１回折格子２１による２次以上の回折光によって表面プラズモンが励起されても、光源５０のエテンデューの増大化を抑制することができる。
【００８５】
なお、本実施形態では、第１の実施形態の光源１０に対して第２カバー層１６の出射側の構成を変更したものを説明したが、第２および第３の実施形態の光源３０および４０のそれぞれに対して第２カバー層１６の出射側の構成を本実施形態と同様に変更してもよい。
【００８６】
［第５の実施形態］
図１１は、本発明の第５の実施形態の光源を模式的に示す斜視図である。図１１に示す光源６０は、図１で示した光源１０に対して、光の出射面である上面および下面を除いた外壁面（つまり光源の側面）を覆うように反射部６１を追加したものである。
【００８７】
反射部６１は、発光層１３で発生した光を反射する。これにより、発光層１３の側面から光が出射されることを抑制することができるので、発光層１３で発生した光を、図１で示した光源１０と比べて無駄なく金属層１５に入射することが可能になり、ランダム偏光を効率良くＴＭ偏光に変換して出射することが可能となる。
【００８８】
なお、反射部６１は、光源６０の全ての側面に設けられていたが、その側面のうち一部の面にのみ設けられていてもよい。この場合でも、発光層１３で発生した光を、図１で示した光源１０と比べて無駄なく金属層１５に入射することは可能である。また、反射部６１は、光を拡散反射するものであってもよい。
【００８９】
なお、本実施形態では、第１の実施形態の光源１０に対して反射部６１を追加したものを説明したが、第２〜第４の実施形態の光源３０、４０および５０のそれぞれに対して反射部６１を追加してもよい。
【００９０】
［第６の実施形態］
図１２は、本発明の第６の実施形態の光源を模式的に示す斜視図である。図１１に示す光源７０は、図１に示した光源１０に対して回折格子の構成を変更したものである。より具体的には、光源７０は、第１回折格子２１および第２回折格子２２の代わりに第１回折格子７１および第２回折格子７２を備える点で図１に示した光源１０と異なる。
【００９１】
第１回折格子７１は、ブレーズド回折格子である。つまり、第１回折格子７１は、Ｘ方向に周期的な凹凸構造で形成され、その凹凸構造は、Ｙ方向から見て鋸歯波状の断面形状を有している。また、第２回折格子７２は、第１回折格子７１と同じ構造を有する。
【００９２】
ブレーズド回折格子では、そのブレーズ方向に応じて、入射角度θで入射する光と入射角度−θで入射する光の一方のみが回折される。本実施形態の第１回折格子７１では、入射角度θ１で入射する光と入射角度−θ１で入射する光のうち、入射角度θ１で入射する光のみを回折する。このため、入射角度θ１で金属層１５に入射するＴＭ偏光のみによって表面プラズモンが励起されるので、第２回折格子７２から出射される出射光の出射角度はθ１のみとなる。
【００９３】
このとき、金属層１５との界面で表面プラズモンを励起できる入射角度θ１は、上述したように、金属層１５の誘電率や第１回折格子７１および第２回折格子７２のピッチなどによって変更可能である。したがって、これらの誘電率やピッチなどを調節し、第２回折格子７２から出射される出射光の出射角度θ１を、第２カバー層１６の全反射角度よりも小さくすることで、第２カバー層１６に回折部２３を設けることなく、光源７０から所定の方向に光を出射させることが可能になる。
【００９４】
なお、本実施形態における第１回折格子の凸部は、Ｙ方向と直交する断面において、凸部の頂点を通りＺ方向に平行な線に対して非対称であれば、鋸歯波状に限らず、階段波状などでもよい。
【００９５】
［第７の実施形態］
図１３は、本発明の第７の実施形態の光源を模式的に示す斜視図である。図１３に示す光源８０は、図１に示した光源１０に対して、拡散ミラー層１２と金属層１５との間に位相変調層８１が挿入されたものである。
【００９６】
位相変調層８１は、透過した光に対して位相変調を行い、その光の偏光状態を変える。位相変調層８１は、例えば、λ／４板のような透過した光に位相差を付与する位相差板である。
【００９７】
本実施形態によれば、位相変調層８１にて偏光状態が変換されるので、発光層１３で発生した光を、図１で示した光源１０と比べて無駄なく表面プラズモンを励起する光とすることができる。
【００９８】
なお、本実施形態では、第１の実施形態の光源１０に対して位相変調層８１を追加したものを説明したが、第２〜第６の実施形態の光源３０、４０、５０、６０および７０のそれぞれに対して位相変調層８１を追加してもよい。
【００９９】
以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。
【０１００】
この出願は、２０１０年８月２４日に出願された日本出願特願２０１０−１８７１４９号公報を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【図１】
2012026211.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2012026211.tif 000009
【図８】
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【図９】
2012026211.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2012026211.tif 000015
【国際調査報告】
2012026211.tif 000016
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